Biología

Fundamentos de circuito elétrico: componentes e tipos

Uma analogia para circuitos elétricos

Um novo Mega-Mart abriu no meu bairro no mês passado. Por ser curioso, decidi dar uma olhada no dia da inauguração. Algo que achei único na loja foi a maneira como os caixas registradores foram configurados. Havia vários registros, mas em vez de formar uma linha em cada um, todos esperaram em uma única linha e depois foram para o próximo registro disponível um de cada vez. Enquanto esperava para fazer minhas compras, comecei a pensar em como as filas do caixa seriam uma ótima analogia para as diferentes configurações de circuitos elétricos. Vamos falar sobre meu dia na loja enquanto aprendemos sobre circuitos elétricos em série e paralelos.

Circuitos em série

Quando visitei a loja no dia da inauguração, eles ainda não haviam contratado caixas suficientes, então apenas uma caixa estava aberta. Todos que esperavam na fila tinham que passar por esse único registro se quisessem fazer o check-out. Consciente do fato de que havia uma longa fila, cada cliente correu o mais rápido que pôde para descarregar, pagar e embalar suas mercadorias. Isso os deixou exaustos e sem energia quando saíram para o estacionamento. Para passar o tempo enquanto esperava, acompanhei a rapidez com que as pessoas estavam fazendo check-out e contei dois clientes por minuto. Isso significava que a cada minuto, duas pessoas estavam saindo e a fila estava ficando mais curta para duas pessoas.

Se tivéssemos que construir um circuito elétrico que representasse a linha de checkout, seria semelhante a um circuito em sérieporque fornece apenas um caminho para os elétrons fluírem através da resistência. Os elétrons fluem pelo circuito porque estão tentando ir do lado negativo da bateria para o lado positivo. Isso é semelhante aos clientes que tentam sair da área de compras e chegar ao estacionamento passando pelo caixa. Portanto, a lâmpada é como o registro de verificação porque ambos atuam como uma resistência que impede o fluxo. Como os clientes do registrador, os elétrons passam pela resistência do bulbo o mais rápido que podem e, como resultado, perdem quase toda a sua energia. A voltagem é basicamente uma medida de quanta energia um elétron tem, então, quando a energia cai, o mesmo acontece com a voltagem. Nesse caso, os elétrons começam com a mesma voltagem da bateria e a perdem quase toda à medida que passam pela lâmpada.


Quando os elétrons encontram a resistência do bulbo, eles perdem quase toda a sua energia.
Energia de elétrons do circuito em série

De volta à loja, minha sorte piorou. Como se apenas um registro aberto não fosse ruim o suficiente, o gerente da loja decidiu montar um posto de controle de segurança na porta. Cada cliente teve que descarregar suas malas e deixar o segurança verificar cada item em seu recibo antes que eles pudessem sair. Desnecessário dizer que isso desacelerou consideravelmente as coisas. Uma coisa engraçada aconteceu como resultado dessa resistência adicional. Como o checkpoint estava fazendo backup das coisas, os clientes no caixa não estavam mais com pressa porque sabiam que acabariam esperando no checkpoint se fossem rápido demais. Como resultado da desaceleração, eles não gastaram toda a sua energia no registro e ficaram com energia suficiente para passar pelo posto de controle. No entanto, quando eles conseguiram passar pelo posto de controle e saíram para o estacionamento, eles estavam novamente exaustos. Enfrentando uma espera ainda mais longa, contei novamente a rapidez com que as pessoas estavam passando e descobri que a resistência adicional do posto de controle havia desacelerado as coisas para apenas um cliente por minuto.

Para representar o ponto de verificação de segurança em nosso circuito elétrico, poderíamos fazer isso adicionando uma segunda lâmpada, que adiciona outra resistência. A resistência total do circuito passa a ser a soma das resistências das duas lâmpadas, o que determina a rapidez com que os elétrons podem fluir pelo circuito. Cada vez que uma resistência é adicionada a um circuito em série, a resistência total aumenta, o que significa que a corrente diminuirá. Como resultado da corrente reduzida, os elétrons que passam pelo primeiro bulbo não perdem tanta voltagem quanto antes. Isso significa que ainda resta alguma voltagem quando chegam à segunda lâmpada. No entanto, passar pela lâmpada consome a voltagem restante, e eles voltam a zero quando retornam à bateria. A quantidade de tensão perdida em cada lâmpada dependerá das resistências, mas uma coisa é sempre certa: a soma das tensões perdidas em cada resistência será sempre igual à tensão da bateria. Isso é verdade, não importa quantas lâmpadas, ou resistências, sejam adicionadas ao circuito.


A soma das resistências será igual à resistência total do circuito.
Diagrama de resistência do circuito

Uma coisa importante a notar é que, embora a tensão perdida em cada lâmpada possa ser diferente, a corrente que flui por elas é exatamente a mesma. Na verdade, a corrente é a mesma em todas as partes de um circuito em série. Assim como o próximo cliente não poderia ir para o registrador até que o anterior fosse feito, os elétrons não podem fluir para uma lâmpada a menos que outros elétrons fluam para fora. É esse movimento sequencial de elétrons que dá nome a um circuito em série.

Circuitos Paralelos

Destemido com minha primeira experiência no Mega-Mart, voltei na semana seguinte e descobri que agora havia dois registros abertos e não havia mais um posto de controle de segurança. Como era de se esperar, o novo caixa não era tão rápido quanto o outro. Enquanto o caixa mais experiente podia ligar para dois clientes a cada minuto, o novo caixa só conseguia ligar para um cliente por minuto. Isso significava que, a cada minuto, três clientes iam para o estacionamento, enquanto a fila de espera diminuía para três pessoas. Portanto, embora o novo caixa fosse mais lento, ainda havia mais clientes fazendo check-out do que se ela não estivesse lá. Outra coisa que notei foi que, como o posto de controle de segurança havia sido removido, os clientes voltaram a passar pelos registros o mais rápido que podiam, não querendo atrapalhar ninguém. Por sua vez,

Se modificássemos nosso circuito elétrico para representar os dois registros sendo abertos, ele se tornaria um circuito paralelo , que fornece vários caminhos para os elétrons passarem pelas resistências. Como há apenas uma resistência em cada caminho, os elétrons passarão pelo bulbo o mais rápido que puderem e perderão toda a voltagem. Isso significa que a tensão em cada resistência será sempre igual à tensão da bateria.

A corrente que flui através de cada lâmpada dependerá da resistência dessa lâmpada. Como vimos nas caixas registradoras, mais clientes passaram pela caixa registradora com o caixa que ofereceu menos resistência. Em nosso circuito elétrico, embora a corrente seja mais alta através da lâmpada com a resistência mais baixa, a corrente ainda fluirá por ambas as lâmpadas. Se somarmos essas duas correntes, a soma será igual à quantidade de corrente que sai e retorna para a bateria. Em outras palavras, a corrente que vem do lado negativo da bateria simplesmente se divide em caminhos diferentes com base em quanta resistência cada caminho oferece. Essas correntes individuais se reúnem do outro lado e retornam à bateria. Isso é semelhante ao modo como os clientes vinham todos da mesma linha, divididos em registros diferentes,


Diagrama de um circuito paralelo
Diagrama de Circuito Paralelo

A resistência total de um circuito paralelo é um pouco difícil de calcular, mas o importante é entender que a resistência total de um circuito paralelo sempre diminuirá à medida que mais resistores forem adicionados. Pode parecer contra-intuitivo que adicionar uma resistência a um circuito pode realmente reduzir a resistência total, mas, como vimos na loja, mesmo adicionar um caixa lento aumentou o número de clientes que fazem check-out a cada minuto. Adicionar um resistor a um circuito paralelo, não importa quão alta seja a resistência, sempre aumentará a corrente total. O fato de que alguns elétrons podem fluir por um caminho, enquanto outros elétrons fluem simultaneamente por outro caminho, é onde o circuito paralelo recebe seu nome.

Resumo da lição

Acabamos de cobrir um monte de novas ideias, mas podemos resumi-las em termos do que acontece com a tensão, a corrente e a resistência em cada tipo de circuito. Um circuito em série fornece apenas um caminho para os elétrons passarem pela parte resistiva do circuito. A resistência total de um circuito em série é igual à soma de todas as resistências individuais, e adicionar uma resistência sempre fará com que a resistência total aumente. A corrente em cada resistência e em todas as partes do circuito é a mesma. A tensão perdida em cada resistência pode ser diferente, mas a soma das tensões sempre será igual à tensão da bateria.

Um circuito paralelo fornece vários caminhos para os elétrons passarem pela parte resistiva do circuito. Cada vez que um novo caminho é adicionado a um circuito paralelo, a resistência total diminuirá, não importa quão alta seja a resistência do novo caminho. Se a resistência total diminuir, a corrente total que sai e retorna para a bateria aumentará. A corrente em cada caminho pode ser diferente, mas a soma de todas as correntes sempre será igual à corrente total. Finalmente, a tensão em cada resistência será sempre igual à tensão da bateria.

Resultado de aprendizagem

Após esta lição, você será capaz de:

  • Descreva as diferenças entre circuitos paralelos e em série
  • Explique como a tensão, a resistência total e a corrente são afetadas em cada tipo de circuito quando mais resistências são adicionadas